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완전-차동 선형 OTA를 사용한 새로운 계측 증폭기 설계
A Design of Novel Instrumentation Amplifier Using a Fully-Differential Linear OTA 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.1, 2016년, pp.59 - 67  

차형우 (청주대학교 전자공학과)

초록
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저가, 광대역, 그리고 넓은 이득 제어 범위를 갖는 전자 계측 시스템을 실현하기 위한 완전-차동 선형(fully-differential linear operational transconductance amplifier : FLOTA)를 사용한 새로운 계측 증폭기(instrumentation amplifier : IA)를 설계하였다. 이 IA는 한 개의 FLOTA, 두 개의 저항 그리고 한 개의 연산 증폭기(operational amplifier : op-amp로 구성된다. 동작 원리는 FLOTA에 인가되는 두 입력 전압의 차가 각각 동일한 차동 전류로 변환되고 이 전류는 op-amp의 (+)단자의 저항기와 귀환 저항기를 통과시켜 단일 출력 전압을 구하는 것이다. 제안한 IA의 동작 원리를 확인하기 위해 FLOTA를 설계하였고 상용 op-amp LF356을 사용하여 IA를 구현하였다. 시뮬레이션 결과 FLOTA를 사용한 전압-전류 특성은 ${\pm}3V$의 입력 선형 범위에서 0.1%의 선형오차와 2.1uA의 오프셋 전류를 갖고 있었다. IA는 1개의 저항기의 저항 값 변화로 -20dB~+60dB의 이득을 갖고 있으며, 60dB에 대한 -3dB 주파수는 10MHz이였다. 제안한 IA의 외부의 저항기의 정합이 필요 없고 다른 저항기로 오프셋을 조절할 수 있는 장점을 갖고 있다. 소비전력은 ${\pm}5V$ 공급전압에서 105mW이였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A novel instrumentation amplifier (IA) using fully-differential linear operational transconductance amplifier (FLOTA) for electronic measurement systems with low cost, wideband, and gain control with wide range is designed. The IA consists of a FLOTA, two resistor, and an operational amplifier(op-am...

주제어

#fully-differential linear OTA   #instrumentation amplifier   #analog circuit   #sensor signal processing   #op-amp  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 능동소자의 정합문제를 해결하고 단 하나의 능동소자와 연산 증폭기, 그리고 2개의 저항기로 구성되는 새로운 계측 증폭기를 제안한다[14]. 이 계측 증폭기에서 사용되는 능동소자는 완전-차동 선형 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(fully-differential linear operational transconductance amplifier : FLOTA)이며,설계한 FLOTA와 계측 증폭기에 대한 동작원리와 그 성능도 분석한다.

가설 설정

  • 따라서, 제안한 계측 증폭기는 1) 이득을 0.1에서 1,000까지 조정이 가능하고, 2) 외부에 사용하는 저항기의 정합이 필요 없고, 3) 종래의 계측 증폭기보다 대역폭이 넓고, 4) 오프셋 조정이 가능하고, 5) 소비전력이 작다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 제안한 회로를 반도체 칩으로 제작할 경우 상용화된 종래의 IA를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
새로운 계측 증폭기의 동작 원리는 어떻게 되는가? 이 IA는 한 개의 FLOTA, 두 개의 저항 그리고 한 개의 연산 증폭기(operational amplifier : op-amp로 구성된다. 동작 원리는 FLOTA에 인가되는 두 입력 전압의 차가 각각 동일한 차동 전류로 변환되고 이 전류는 op-amp의 (+)단자의 저항기와 귀환 저항기를 통과시켜 단일 출력 전압을 구하는 것이다. 제안한 IA의 동작 원리를 확인하기 위해 FLOTA를 설계하였고 상용 op-amp LF356을 사용하여 IA를 구현하였다.
완전-차동 선형를 사용한 새로운 계측 증폭기를 설계한 이유는 무엇인가? 저가, 광대역, 그리고 넓은 이득 제어 범위를 갖는 전자 계측 시스템을 실현하기 위한 완전-차동 선형(fully-differential linear operational transconductance amplifier : FLOTA)를 사용한 새로운 계측 증폭기(instrumentation amplifier : IA)를 설계하였다. 이 IA는 한 개의 FLOTA, 두 개의 저항 그리고 한 개의 연산 증폭기(operational amplifier : op-amp로 구성된다.
새로운 계측 증폭기는 무엇으로 구성되는가? 저가, 광대역, 그리고 넓은 이득 제어 범위를 갖는 전자 계측 시스템을 실현하기 위한 완전-차동 선형(fully-differential linear operational transconductance amplifier : FLOTA)를 사용한 새로운 계측 증폭기(instrumentation amplifier : IA)를 설계하였다. 이 IA는 한 개의 FLOTA, 두 개의 저항 그리고 한 개의 연산 증폭기(operational amplifier : op-amp로 구성된다. 동작 원리는 FLOTA에 인가되는 두 입력 전압의 차가 각각 동일한 차동 전류로 변환되고 이 전류는 op-amp의 (+)단자의 저항기와 귀환 저항기를 통과시켜 단일 출력 전압을 구하는 것이다.
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참고문헌 (16)

  1. A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic circuits ; Oxford Univ. Press(fourth edition), chap. 3, 1998. 

  2. A. J. Peyton and V. Walsh, Analog Electronic with OP Amps A Source book of Practical Circuits ; Cambridge Univ. Press, chap. 1, 1993. 

  3. S.-I. Lim, H.-K. Cho, "A Design of Instrument Amplifier for Bio-potential Measurements," IEEK SOC conference, pp. 85-88, May 2009. 

  4. AD620 Data sheet, Analog Devices, Inc., 1999 

  5. A. S. Sedra, G. W. Roberts, and F. Gohh, "The current conveyor : history, process and new results," IEE Proceeding, vol. 137. Pt. G, no. 2, pp. 78-87, Apr. 1990. 

  6. C. Toumazou, F. J. Lidgey, and D. G. Haigh, Analogue IC design:the current-mode approach, London ; Peter Peregrinus, 1990, chap. 4 

  7. H.-W. Cha and K. Watanabe, "Wideband CMOS current conveyor," Electron. Lett., vol. 32. no. 14, pp. 1245-1246, July 1996. 

    상세보기 crossref

  8. H.-W. Cha, "Class A CMOS Current Conveyor," Journal of IEEK, vol. 34, SD, no. 9, pp. 1-9, Sept. 1997. 

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  12. H.-W. Cha, H.-S. Lim, S.-Y Lee, and T.-Y, Jeong, "Design of novel instrumentation amplifiers without resistors matching," Proc. of ITC-CSCC'2012, vol. I, July 15-18, 2012. 

  13. H-W.Cha, T-Y.Jeong, "Design of a novel instrumentation amplifier using currentconveyor(CCII)," Journal of IEEK, vol. 50, SD, no. 12, pp. 80-87, December 2013 

  14. H-W. Cha, T-Y. Jeong, H-S. Lim, S-Y. Lee, J-W. Lee, K-S. Kim, "A design of novel instrumentation amplifier using a fully-differential linear OTA," Journal of summer conference IEEK, vol 35, no. 1, pp.1426-1428, June 2012. 

  15. W.-S. Chung, H.-W. Cha, and S.-H. Son, "A low-voltage low-power bipolar transconductor with high-linearity," IEICE Trans. Fundamentals, vol. E88-A, no. 1, pp. 384-386, January 2005. 

    상세보기 crossref

  16. LF356 Data sheet, Texas Instruments, Inc., 2013. 

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